公布日：2022.07.15
申请日：2022.03.22
分类号：C04B38/10(2006.01)I;C04B28/26(2006.01)I;C02F1/28(2006.01)I;C02F1/30(2006.01)I;C02F101/20(2006.01)N;C02F101/22(2006.01)N;C02F101/10(2006.01)N;
C02F101/30(2006.01)N;C04B111/40(2006.01)N
摘要
本发明提供一种用于污水处理的陶粒材料及其制备方法，通过限定陶粒的制备原料及养护工艺中的温度、时间，制备一种能耗低，工艺简单，有效提高污水处理能力的免烧陶粒材料；利用废弃的珍珠岩尾矿粉作为矿渣微粉，利用硅酸钠激发陶粒中的矿渣微粉；限定钢渣、锰渣在陶粒材料中的质量比，使陶粒材料既能释放OH‑固化重金属离子，又能使固液分离，简易去除过程且节约成本；达到固废资源化和处理水体污染的目的；将表面活性剂改性的硫掺杂二氧化钛颗粒负载在磁性膨润土上，增强在可见光下的光降解活性；用硅溶胶改性核桃壳粉，在陶粒材料中均匀分散，达到优异的造孔效果。
权利要求书
1.一种用于污水处理的陶粒材料，其特征在于：以重量份数计，所述陶粒材料的原料组成为：粉煤灰35-40份、矿渣微粉12-20份、磁性膨润土25-35份、改性核桃壳粉2-4份、硅酸钠9-10份、钢渣1-2份、锰渣1-2份、去离子水2-5份；所述磁性膨润土的制备包括以下步骤：(1)将膨润土、去离子水在45-55℃下搅拌4h，加入七水硫酸铁、六水氯化铁，升温至56-58℃，在搅拌条件下加氢氧化铵，将pH调到8.5-9.8，反应3-4h，抽滤进行固液分离，依次用去离子水、乙醇清洗至中性，干燥后得到改性氧化铁；(2)将西曲溴铵、十二烷基硫酸钠、无水乙醇混合搅拌，加入氨水、去离子水搅拌5min，然后加入步骤(1)得到的改性氧化铁，在35℃下搅拌1h，计为组分A，将钛酸丁酯、乙醇、硫脲混合搅拌，然后加入组分A中，在18-25℃下老化20-22h，过滤，干燥，在550℃煅烧2-2.5h，得到磁性膨润土；所述改性核桃壳粉的制备包括以下步骤：将硅溶胶与核桃壳粉混合，超声搅拌10-14min，真空干燥箱中18-25℃下保温20-22h，研磨后得到改性核桃壳粉；所述钢渣与锰渣的质量比为1:1；在磁性膨润土的制备中，所述膨润土、七水硫酸铁、六水氯化铁、去离子水的质量体积比为1g:1g:2g:50mL；氢氧化铵与去离子水体积比为3:10；组分A中改性氧化铁、西曲溴铵、十二烷基硫酸钠、无水乙醇、氨水、去离子水的质量体积比为2g:5mL:10mL:20mL:11mL:50mL；硫脲、钛酸丁酯、乙醇的质量体积比为0.25g:14mL:21mL；在改性核桃壳粉的制备中，硅溶胶的固相质量分数为20-25％，核桃壳粉的尺寸为200-400nm；硅溶胶与核桃壳粉的质量比为1:1。
2.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的陶粒材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：(1)将钢渣、锰渣研磨至100-200目后，加入粉煤灰、矿渣微粉、磁性膨润土、改性核桃壳粉、硅酸钠、去离子水超声搅拌，通过对辊造粒机得到陶粒坯体；(2)将陶粒坯体转移到蒸养装置中，静置3-4h，以5℃/h升温至55℃，湿度85％，保持3-4h；升温至75℃，湿度90％，保持3-4h；降温至18-25℃，得到一种用于污水处理的陶粒材料。
3.根据权利要求2所述的一种用于污水处理的陶粒材料的制备方法，其特征在于：升温至75℃的升温速度为10℃/h；降温至18-25℃的降温速度为10℃/h。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于污水处理的陶粒材料及其制备方法，该方法所需设备少，效率高，制得的陶粒材料使用寿命长。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种用于污水处理的陶粒材料，以重量份数计，陶粒材料的原料组成为：粉煤灰35-40份、矿渣微粉12-20份、磁性膨润土25-35份、改性核桃壳粉2-4份、硅酸钠9-10份、钢渣1-2份、锰渣1-2份、去离子水2-5份。
现有陶粒多采用焙烧法制备陶粒，设备复杂且能耗高，本发明中通过控制制备原料及工艺，得到一种免烧的陶粒材料，能耗低，工艺简单易推广，且具有优异的可多次循环使用的污水处理能力。
污水中一般存在超量的铜，会对水生动植物产生危害。且若通过富集进入人体中，会导致脑损伤、高血压、阿尔茨海默病等疾病。
利用废弃的珍珠岩尾矿粉作为矿渣微粉，掺入陶粒材料中使陶粒材料轻质化，同时其硅含量较多，具有良好的保温性能，可大幅降低陶粒材料的导热系数；且矿渣微粉具有较高的潜在活性，可以作为陶粒中的胶凝材料，利用硅酸钠激发陶粒中的矿渣微粉，提供OH-和4-，矿渣玻璃体表面的钙离子、镁离子等与OH-结合后，与Si-O-Si、Al-O-Al键连接，使玻璃体网络结构破坏，发生水化反应，生成絮状凝胶。
本发明中限定钢渣、锰渣在陶粒材料中的质量比，提高陶粒材料对水体中过量铜离子的吸附能力，提高净化污水的能力，达到固废资源化和处理水体污染的目的；
采用比表面积较大、化学活性高的钢渣，在水中水解生成水化硅酸钙，对铜离子具有良好的吸附能力，且也对污水中存在的铬、铅、砷、镉等重金属离子有很好的去除效果，同时对无机物和有机污染物也有较好的去除效果；
但是单独的钢渣在陶粒材料中，吸附后存在固液分离问题；因此用钢渣-锰渣复合配比加入陶粒材料中，使陶粒材料既能释放OH-固化重金属离子，又能改善固液分离的问题，简易去除过程且节约成本。
进一步的，钢渣与锰渣的质量比为1:1。
进一步的，磁性膨润土的制备包括以下步骤：
(1)将膨润土、去离子水在45-55℃下搅拌4h，加入七水硫酸铁、六水氯化铁，升温至56-58℃，在搅拌条件下加氢氧化铵，将pH调到8.5-9.8，反应3-4h，抽滤进行固液分离，依次用去离子水、乙醇清洗至中性，干燥后得到改性氧化铁；
(2)将西曲溴铵、十二烷基硫酸钠、无水乙醇混合搅拌，加入氨水、去离子水搅拌5min，然后加入步骤(1)得到的改性氧化铁，在35℃下搅拌1h，计为组分A，将钛酸丁酯、乙醇、硫脲混合搅拌，然后加入组分A中，在18-25℃下老化20-22h，过滤，干燥，在550℃煅烧2-2.5h，得到磁性膨润土。
本发明中采用绿色环保的方法将表面活性剂改性的硫掺杂二氧化钛颗粒负载在磁性膨润土，以增强陶粒材料在污水中的回收性能，协同限定的钢渣、锰渣达到提高重金属离子的吸附能力；借助表面活性剂西曲溴铵、十二烷基硫酸钠负载硫掺杂的二氧化钛颗粒，通过溶胶-凝胶工艺控制磁性膨润土上二氧化钛颗粒的形成，从而增强在可见光下的光降解活性，提高陶粒材料优异的光降解效率；
进一步的，膨润土、七水硫酸铁、六水氯化铁、去离子水的质量体积比为1g:1g:2g:50mL；氢氧化铵与去离子水体积比为3:10。
进一步的，组分A中改性氧化铁、西曲溴铵、十二烷基硫酸钠、无水乙醇，加入氨水、去离子水的质量体积比为2g:5mL:10mL:20mL:11mL:50mL；硫脲、钛酸丁酯、乙醇的质量体积比为0.25g:14mL:21mL。
本发明中用硅溶胶改性核桃壳粉来提高造孔效果，核桃壳粉是一种天然有机物、主要由纤维素和木质素组成，其外表含大量羟基基团；硅溶胶采用含有高达50wt％的纳米尺寸的球形无定形二氧化硅颗粒，直径为20-30nm；
在陶粒材料中，核桃壳粉表面活跃的氢氧键与硅溶胶、磁性膨润土会产生氢键，使二氧化硅颗粒黏附在核桃壳粉表面，同时硅溶胶、磁性膨润土之间以枝状链硅氧烷键连接在一起。因此，硅溶胶处理后的核桃壳粉达到在陶粒中分散的均匀性，达到优异的造孔效果。
进一步的，改性核桃壳粉的制备包括以下步骤：将硅溶胶与核桃壳粉混合，超声搅拌10-14min，真空干燥箱中在18-25℃下保温20-22h，研磨后改性核桃壳粉。
进一步的，硅溶胶的固相质量分数为20-25％，核桃壳粉的尺寸为200-400nm。
进一步的，硅溶胶与核桃壳粉的质量比为1:1。
进一步的，一种用于污水处理的陶粒材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钢渣、锰渣研磨至100-200目后，加入粉煤灰、矿渣微粉、磁性膨润土、改性核桃壳粉、硅酸钠、去离子水超声搅拌，通过对辊造粒机得到陶粒坯体；
(2)将陶粒坯体转移到蒸养装置中，静置3-4h，以5℃/h升温至55℃，湿度85％，保持3-4h，升温至75℃，湿度90％，保持3-4h，降温至18-25℃，得到一种用于污水处理的陶粒材料。
进一步的，升温至75℃的升温速度为10℃/h；降温速度为10℃/h。
本发明中通过限定陶粒坯体的制备原料及养护工艺中的温度、时间，得到一种具有优异污水处理能力、绿色环保、可循环利用、低能耗、不添加造孔剂的免烧陶粒材料。
本发明的有益效果：
现有工艺制备陶粒材料多使用焙烧法，能耗高，且工艺复杂，需要养护时间长，且处理污水能力有限，本发明通过调整工艺及原料，制备一种能耗低，工艺简单，有效提高污水处理能力的免烧陶粒材料；
利用废弃的珍珠岩尾矿粉作为矿渣微粉，使陶粒材料轻质化，提高陶粒保温性能，利用硅酸钠激发陶粒中的矿渣微粉，提供OH-和4-，矿渣玻璃体表面的钙离子、镁离子等与OH-结合后，与Si-O-Si、Al-O-Al键连接，使玻璃体网络结构破坏，发生水化反应，生成絮状凝胶；
限定钢渣、锰渣在陶粒材料中的质量比，使陶粒材料既能释放OH-固化重金属离子，又能改善固液分离，简易去除过程且节约成本；在水中水解生成水化硅酸钙，对铜离子具有良好的吸附能力，且也对污水中存在的铬、铅、砷、镉等重金属离子有很好的去除效果，同时对无机物和有机污染物也有较好的去除效果，达到固废资源化和处理水体污染的目的；
采用绿色环保的方法将表面活性剂改性的硫掺杂二氧化钛颗粒负载在磁性膨润土，以增强陶粒材料在污水中的回收性能，协同限定的钢渣、锰渣达到提高重金属离子的吸附能力；借助表面活性剂西曲溴铵、十二烷基硫酸钠负载硫掺杂的二氧化钛颗粒，通过溶胶-凝胶工艺控制磁性膨润土上二氧化钛颗粒的形成，从而增强在可见光下的光降解活性，提高陶粒材料优异的光降解效率；
用硅溶胶改性核桃壳粉，在陶粒材料中，核桃壳粉表面活跃的氢氧键与硅溶胶、磁性膨润土会产生氢键，使二氧化硅颗粒黏附在核桃壳粉表面，同时硅溶胶、磁性膨润土之间以枝状链硅氧烷键连接在一起；因此，硅溶胶处理后的核桃壳粉达到在陶粒中分散的均匀性，达到优异的造孔效果；
通过限定陶粒坯体的制备原料及养护工艺中的温度、时间，得到一种具有优异污水处理能力、绿色环保、可循环利用、低能耗、不添加造孔剂的免烧陶粒材料。
（发明人：张成生;王永春;王召鑫;王政）
